全混凝土LNG儲罐國產(chǎn)化的可行性研究

謝 劍 李 響 朱俊巖

1.天津大學(xué)濱海土木工程結(jié)構(gòu)與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 2.中國石油天然氣管道工程有限公司

LNG儲罐的建設(shè)是LNG產(chǎn)業(yè)鏈的“陸上起點(diǎn)，海上終點(diǎn)”。當(dāng)前的全容式LNG儲罐內(nèi)罐材料多為9%鎳鋼，其生產(chǎn)與施工成本較高且施工工序復(fù)雜；相比之下，內(nèi)罐采用混凝土的LNG儲罐，材料易本土化，施工工期短，建造費(fèi)用低。全混凝土LNG儲罐在國外已有建成先例，但我國尚未開展相關(guān)研究。

全混凝土儲罐（ACLNG TANK）并不是一個(gè)全新的概念，截至2004年，世界上已有9座全混凝土LNG儲罐。最早的一座建在巴塞羅那，從1969年服役至今［1］，且 美 國 已 有 相 應(yīng) 設(shè) 計(jì) 規(guī) 范——ACI 376—2010［2］。在20世紀(jì)70—80年代，人們對全混凝土LNG儲罐有所研究。但由于當(dāng)時(shí)的液化天然氣市場較小，LNG儲罐的投資建設(shè)計(jì)劃較少，且當(dāng)時(shí)的人們?nèi)鄙賹Φ蜏叵禄炷撂匦缘牧私?，所以對這種新型的LNG儲罐的研究減少，造成對全混凝土罐的研究斷層。目前隨著全球能源的緊張，天然氣這種清潔、廉價(jià)能源重新獲得青睞，其中LNG儲罐的投資建設(shè)也在蓬勃發(fā)展。對全混凝土LNG儲罐進(jìn)行研究，有利于LNG產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

1 全混凝土LNG儲罐結(jié)構(gòu)形式

對于全容罐來講，全混凝土罐的主要特點(diǎn)是內(nèi)、外罐均采用混凝土材料，內(nèi)罐罐壁與底板的材料采用預(yù)應(yīng)力混凝土，內(nèi)罐無熱角保護(hù)，罐壁與底板整體澆筑；外罐罐壁設(shè)有防潮層，外罐罐底鋪設(shè)聚酯薄膜面層。為滿足后張拉的要求，全混凝土罐的環(huán)形空間比內(nèi)罐為9%鎳鋼罐的環(huán)形空間大［3］。全混凝土罐的結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 全混凝土LNG儲罐結(jié)構(gòu)圖

2 全混凝土罐的優(yōu)點(diǎn)

全混凝土罐的應(yīng)用有很多優(yōu)點(diǎn)。首先，從材料角度講，國內(nèi)的9%鎳鋼材市場緊張，且9%鎳鋼雖已初步實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化，但價(jià)格依然昂貴。與之相比，混凝土材料容易獲得，成本較低。其次，全混凝土罐的平行施工工序多，建造工期短（圖2），因工期產(chǎn)生的費(fèi)用相對較低（圖3）。從圖2可以看出，全混凝土內(nèi)罐與外罐的平行施工搭接時(shí)間長，保冷結(jié)構(gòu)安裝與設(shè)備安裝可同時(shí)進(jìn)；對于9%鎳鋼，外罐施工即將結(jié)束時(shí)才能進(jìn)行內(nèi)罐施工，保冷結(jié)構(gòu)安裝與設(shè)備安裝不存在搭接時(shí)間。常規(guī)的16×104m3儲罐工期約為33個(gè)月，而全混凝土罐的建造工期約為25個(gè)月，可節(jié)省工期8個(gè)月。工期縮短可使LNG儲罐提前投產(chǎn)，也間接減小了LNG儲罐建造費(fèi)用。從圖3可以看出，采用全混凝土LNG儲罐至少可節(jié)約20%的建造成本［3］。最后，全混凝土LNG罐可以擴(kuò)大業(yè)主對承包商與設(shè)計(jì)單位的選擇范圍，優(yōu)化LNG儲罐的設(shè)計(jì)與建造市場。同時(shí)混凝土的應(yīng)用在全球經(jīng)驗(yàn)都較為成熟，人們對混凝土低溫特性的認(rèn)識也逐漸走向成熟［4］。

圖2 不同材質(zhì)LNG儲罐施工工期比較圖

圖3 不同材質(zhì)LNG儲罐建造成本比較圖

3 混凝土的低溫特性

全混凝土罐的應(yīng)用有很多優(yōu)點(diǎn)，但實(shí)現(xiàn)應(yīng)用需要對混凝土的低溫特性有足夠的了解。筆者在已有保溫設(shè)備的基礎(chǔ)上進(jìn)行了低溫環(huán)境下混凝土與鋼材的力學(xué)性能試驗(yàn)、混凝土凍融循環(huán)試驗(yàn)、低溫下混凝土與鋼材的黏結(jié)性能試驗(yàn)、鋼筋與預(yù)應(yīng)力混凝土梁的受彎性能試驗(yàn)［5－11］。試驗(yàn)溫度最低至－170 ℃。

3.1 材料特性

在低溫環(huán)境下混凝土的抗壓強(qiáng)度、彈性模量、抗拉強(qiáng)度 、峰值拉應(yīng)變、抗?jié)B性、泊松比提高［5－6］。

低溫下混凝土的本構(gòu)關(guān)系試驗(yàn)表明，素混凝土的彈性模量、強(qiáng)度都有所提高，但脆性加大，配置箍筋可有效改善混凝土在低溫下的延性，試驗(yàn)提出低溫環(huán)境下混凝土的本構(gòu)擬合公式，有助于分析混凝土內(nèi)罐在低溫下的受力特性。

3.2 黏結(jié)特性

鋼筋與混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度影響鋼筋在結(jié)構(gòu)中的錨固長度及受拉性能，試驗(yàn)表明，極限黏結(jié)強(qiáng)度隨溫度的降低、鋼筋屈服強(qiáng)度的增大、錨固長度的減小、混凝土保護(hù)層的增大而增大［7］。凍融循環(huán)下混凝土強(qiáng)度、鋼筋與混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度降低［8－9］。

從鋼絞線與混凝土黏結(jié)試驗(yàn)的荷載—滑移曲線可以看出，隨著溫度降低，極限破壞荷載逐漸增大，表明黏結(jié)預(yù)應(yīng)力構(gòu)件的安全儲備提高［10］。

3.3 構(gòu)件受力性能

有黏結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土梁的試驗(yàn)表明［11］：隨著溫度的降低，預(yù)應(yīng)力混凝土梁的開裂荷載逐漸增大，梁的脆性特征明顯，極限荷載也逐漸增大，開裂荷載的提高程度要大于極限荷載；超低溫環(huán)境下，預(yù)應(yīng)力混凝土梁的平截面假定仍舊適用。

低溫環(huán)境下混凝土梁的試驗(yàn)表明：隨著溫度的降低，鋼筋混凝土梁的開裂荷載逐漸提高，裂縫數(shù)量逐漸減少，裂縫間距增大；同一荷載下，鋼筋混凝土梁的撓度及鋼筋應(yīng)變均隨溫度的降低而呈減小趨勢；鋼筋混凝土梁屈服荷載與極限荷載都有一定的提高，配筋率越大提高程度越大，且屈服荷載的提高程度較極限荷載提高程度更大；低溫下，平截面假定依舊成立，梁延性降低。

綜上所述，混凝土低溫特性的研究為全混凝土LNG儲罐的建造設(shè)計(jì)提供了理論支持。

4 特殊問題及相應(yīng)措施

混凝土在低溫環(huán)境下的力學(xué)特性支持其在低溫領(lǐng)域應(yīng)用，但在凍融循環(huán)的情況下還是會(huì)對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響；混凝土的液密性也是全混凝土LNG儲罐應(yīng)用時(shí)要著重考慮的問題。

4.1 凍融循環(huán)

在檢修、維護(hù)的情況下，混凝土內(nèi)罐的局部溫度會(huì)有所升高，混凝土?xí)艿絻鋈谘h(huán)的影響。凍融循環(huán)試驗(yàn)表明［8］：在凍融循環(huán)的情況下，鋼筋與混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度、混凝土的強(qiáng)度隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而降低，且高含水量的混凝土受影響較大，減小混凝土中的含水量是降低凍融循環(huán)損害的有效途徑。圖4為鋼筋與混凝土的熱變形比較圖。從圖4以看出，在預(yù)加壓力下，混凝土與鋼筋的熱膨脹系數(shù)接近，且呈線性變化，所以對混凝土施加預(yù)應(yīng)力，可有效提高鋼筋與混凝土的黏結(jié)性能，提高混凝土耐久性［12］；快速有效的檢修、維護(hù)方案、管理制度也是降低凍融損害的有效辦法。

圖4 鋼筋與混凝土的熱變形比較圖［12］

據(jù)本文參考文獻(xiàn)［13］單、雙向預(yù)應(yīng)力板的低溫試驗(yàn)結(jié)果表明，雙向預(yù)應(yīng)力筋能減小凍融循環(huán)對混凝土的損傷。同時(shí)，使用引氣劑、減小水灰比、降低含水量也可提高混凝土在凍融循環(huán)下的耐久性。

在正常運(yùn)行條件下，LNG蒸發(fā)氣與LNG共存，LNG儲罐的環(huán)境溫度在－162℃附近，由ANSYS模擬可確定，對于0.8m厚的罐壁，穩(wěn)定后內(nèi)罐外表面的溫度在－159℃附近。內(nèi)罐整體被凍透，所以不考慮凍融的影響。內(nèi)罐底板與罐壁的溫度分布如圖5所示。

圖5 混凝土內(nèi)罐的溫度分布圖

4.2 液密性

混凝土在低溫內(nèi)罐應(yīng)用時(shí)，液密性是混凝土內(nèi)罐適用性評估的重要因素，因?yàn)樗刂浦鳯NG的損失速率以及結(jié)構(gòu)的安全性［1］。ACI 376—2010規(guī)定：混凝土內(nèi)罐在靜水試驗(yàn)、正常操作、正常操作＋OBE下要滿足液密性要求［2］。

混凝土的液密性主要取決于混凝土的滲透性能，而微裂縫是影響滲透的主要因素。微裂縫的產(chǎn)生，增加了低溫液體的滲透路徑，加速液體的泄漏，但是此類問題可通過混凝土材料的選擇來減小不利效應(yīng)。

影響滲透的主要因素有含氣量、水灰比、含水量、骨料級配。骨料與含水量是影響滲透的主要因素，骨料的影響在于：骨料與水泥漿等成分的熱膨脹系數(shù)不一致，使混凝土內(nèi)部各成分變形不協(xié)調(diào)，導(dǎo)致微裂縫的產(chǎn)生；含水量的影響在于：冰的熱膨脹變形比混凝土中的其他成分更大，高水灰比會(huì)使低溫下混凝土的溫度變形增大，產(chǎn)生微裂縫。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果［14－16］，采用輕集料混凝土、加氣混凝土、火山灰水泥、摻加粉煤灰、減小水灰比，可降低混凝土的滲透性。輕集料的熱膨脹系數(shù)較低，與砂漿的系數(shù)相近，且輕集料與水泥漿的彈性模量相近，可增大骨料與水泥漿的黏結(jié)強(qiáng)度，同時(shí)輕集料混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)低、凍融循環(huán)下的耐久性好、滲透率低；“加氣”的主要原理在于：氣泡的體積較大，水在此空間內(nèi)結(jié)冰不會(huì)與混凝土發(fā)生擠壓，降低由冰膨脹引起的微裂縫的發(fā)生率；粉煤灰通過密實(shí)了微觀結(jié)構(gòu)的不溶性成分，來減少混凝土內(nèi)部的孔隙；減小水灰比有助于減少孔隙的數(shù)量與連通性。

5 結(jié)束語

混凝土在低溫下的特性支持其在LNG儲罐及類似低溫儲罐領(lǐng)域的應(yīng)用，其理論雖逐漸成熟，但依然缺乏大量試驗(yàn)支持。BS EN14620［17］規(guī)定：當(dāng)有足夠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)做支撐，混凝土的低溫力學(xué)特性才能應(yīng)用于LNG儲罐的設(shè)計(jì)中。所以還要深化混凝土低溫力學(xué)特性的研究，包括低溫環(huán)境下鋼筋混凝土、預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的性能等研究。同時(shí)，為了推廣這種形式的LNG儲罐，還應(yīng)該開展以下攻關(guān)研究：①混凝土內(nèi)罐的開裂情況分析；②地震作用下的內(nèi)外罐整體性能分析；③按照ACI376要求對儲罐進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)與正常使用極限狀態(tài)的模擬設(shè)計(jì)。

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